基于补气增焓技术的R410A空调系统优化研究.pdf
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1、881引言近年来,全球变暖、空气污染和能源短缺等环境问题日益突出1。节约能源、减少能源消耗、实现可持续发展也变得尤为重要2。当前,为了提升空调系统的效率,达到节约能源的目的,研究人员采用了许多方法。张垚等人3提出一种利用发动机余热驱动的吸收式制冷空调系统,分析了其性能损耗,与传统制冷空调相比,设计的制冷空调系统对能源的依赖度降低,制冷性能好,实现了节能减排的目的。唐景春等人4通过减小节点温差的方法,来增大制冷系统的性能。闫龙超等人5采用冷凝回收系统来提高空调系统的制冷量。补气增焓技术即在压缩机压缩中间腔补充中压的制冷剂气体,进而提高系统内循环的质量流量,降低压缩机排气温度,同时降低蒸发器入口制
2、冷剂的比焓,使提高空调系统的制冷性能6。Xu Shuxue 等人7以 R32 为制冷剂对喷气增焓式制冷系统(Enhanced Vaper Injection,EVI)进行了实验研究,结果显示:EVI 系统可使压缩机排气温度降低 10 20,制热能力增大 4%6%。张磊等人8测试了应用 R410A制冷剂的补气增焓热泵型电动汽车空调的制热性能,并与 R134a 制冷剂的热泵机组的制热性能进行了比较。实验结果表明,新系统能可靠运行在-15及以上的低温制热区间,压缩机排气温度可以控制在 56.3 83.0,机组制热量比 R134a 系统提升了17%,0以上的整体能效提升,解决了 R134a 系统低温工
3、况下排气温度高、制热性能衰减严重的问题。张蓓乐9采用低 GWP 制冷剂对电动汽车空调系统性能进行研究。研究结果表明,补气增焓技术对 R1234yf系统性能的提升效果最好。基于补气增焓技术的 R410A 空调系统优化研究基于补气增焓技术的 R410A 空调系统优化研究朱菁张鹏(四川工商学院建筑工程学院,四川成都611745)摘要:摘要:补气增焓技术可以有效地提高空调系统性能,降低能耗。本文用 Aspen Plus 软件建立带补气增焓的R410A 空调系统模型。研究了蒸发温度、过热度、过冷度对空调系统性能的影响。结果表明:蒸发温度、过热度和过冷度会影响补气制冷量和补气 EER 的增幅,最高可分别达
4、到 22.01%和 14.89%。与过热度相比,过冷度对室内环境温度的影响更大,其室内温度降幅可达到 6.8%。关键词:关键词:补气增焓;Aspen Plus;蒸发温度;过热度;过冷度中图分类号:TB61+5文献标识码:A中图分类号:TB61+5文献标识码:AResearch on Optimization of R410A Air Conditioning System Based on Gas Enhanced Vapor Injection TechnologyZhu Jing,ZhangPeng(School of Architectural Engineering,Sichuan T
5、echnology and Business University,Chengdu,611745,China)Abstract:Enhanced vapor injection technology can effectively improve the performance of air conditioning system and reduce energy consumption.This paper used Aspen Plus to establish a model of R410A air conditioning system with supplementary gas
6、 and enthalpy increase.The effects of evaporation temperature,superheat and supercooling on the performance of air conditioning system were studied.The results showed that the evaporation temperature,superheat and supercooling degree would affect the increase of cooling capacity and EER of enhanced
7、vapor injection which could reach 22.01%and 14.89%respectively.Compared with superheat,supercooling has a greater impact on indoor ambient temperature,and its indoor temperature can drop by 6.8%.Keywords:Enhanced vapor injection;Aspen Plus;Evaporation temperature;Superheat;Supercooling理学与工学收稿日期:2023
8、-6-14作者简介:朱菁(2001-),女,四川泸州人,2020级建筑电气与智能化专业1班学生,主要研究方向:空调系统优化。张鹏(1994-),男,黑龙江大庆人,硕士研究生,主要研究方向:热泵系统设计与优化。第 8 卷 第 3 期Vol.8 No.3四川工商学院学术新视野Academic New Vision of Sichuan Technology and Business University 2023 年 9 月Sept.202389本文以 R410A 为制冷剂,利用 Aspen Plus 进行仿真,研究带补气增焓的空调系统和不带补气增焓的空调系统中蒸发温度、过热度和过冷度对系统制冷性
9、能的影响。2补气增焓原理2.1系统原理蒸发器蒸发器压缩机压缩机经济器经济器膨胀阀膨胀阀EEV1膨胀阀膨胀阀EEV2冷凝器冷凝器10184576923分流器分流器混合器混合器气液分离器气液分离器图 1带补气增焓的空调系统原理图图 1 显示了 Aspen Plus 中带补气增焓的空调系统仿真模型。空调系统被分解成简单的模块,通过Aspen Plus 找到具体的模块搭建模型。其部件包括室内蒸发器、压缩机、室外冷凝器、膨胀阀(EEV1,EEV2)、气液分离器、分流器和混合器。制冷剂由主分支和补气(Vaper Injection,VI)分支组成。在补气过程中,经过电子膨胀阀 EEV2 节流至中间压力(7
10、 点)之后,在经济器中与主分支制冷剂发生热交换。同时,经济器出口的制冷剂以过热状态(8 点)注入压缩机,与主分支的制冷剂混合,提高压缩机的质量流量,降低压缩机的排气温度,此过程被称为补气增焓。1234lgPh56798图 2带补气增焓的空调系统 P-h 图图 2 为空调系统的 P-h 图,开启补气时,压缩过程可分为:(9-1)蒸发器中蒸发过程,(1-2)级压缩机压缩过程,(2-3)中间补气过程,(3-4)级压缩机压缩过程,与室内换热器换热(4-5)后分为两个分支,主分支在经济器中进行进一步过冷(5-6),经节流蒸发成饱和气态后回到压缩机(6-9-1),喷射支路经节流至中间压力后进入经济器蒸发成
11、过热气体再进入压缩机(5-7-8)。2.2数学模型1.补气增焓压缩机耗功级压缩机耗功:21()lcomsucWmhh=(2)级压缩机耗功:43()()hcomsucinjWmmhh=+(3)总耗功:totlcomhcomWWW=+(4)式中:msus级压缩机吸气口制冷剂流量,kg/h;minj补气支路制冷剂质量流量,kJ/kg;h1级压缩机进口制冷剂比焓,kJ/kg;h2为级压缩机出口制冷剂比焓,kJ/kg;h3级压缩机进口制冷剂比焓,kJ/kg;h4级压缩机出口制冷剂比焓,kJ/kg。2.补气增焓系统制冷量:219()RtotQmhh=(6)totsucinjmmm=+(7)sucsucin
12、jmmm=+(7)式中:mtot经过冷凝器的制冷剂质量流量,kg/h;h1蒸发器出口制冷剂比焓;kJ/kg;h9蒸发器进口制冷剂比焓,kJ/kg;相对补气量。3.中间压力研究资料表明,中间补气量的控制可以参考压力值控制11,中间补气制冷剂的压力计算式如式(8)所示。mecPPP=(8)式中:Pm为压缩机中压腔的压力,MPa;Pe为系统蒸发压力,MPa;Pc为系统冷凝压力,MPa。4.补气增焓系统制冷性能系数:朱菁,张鹏:基于补气增焓技术的 R410A 空调系统优化研究9022RtotQEERW=(10)3建立 Aspen 模型3.1模型假设为了计算简单,规定了以下计算条件:(1)系统管道无压降
13、;(2)系统各部件和管道与外界无热损失;(3)膨胀阀节流都为等焓过程;(4)压缩机压缩过程为绝热过程;(5)系统处于稳定运行状态。3.2搭建模型基于补气增焓原理及以上条件,带补气增焓的空调系统流程模拟如图 3 所示。为了模型的准确性,按照系统运行流程用物质流线将各个模块有序的连接。图 3带补气增焓的空调系统模拟流程图带补气增焓的空调系统中的物料有制冷剂工质R410A、冷却介质水和空气。对于 R410A 制冷剂工质的压缩、蒸发、冷凝等过程采用 PENG-ROB 物性方法。该模型有 10 个模块单元和 14 个工艺流股。在压缩机模块中,补气增焓系统是在同一个压缩机下进行两次压缩的过程。为了确保实验
14、的准确性,在模拟时,用两个压缩机代替两次压缩过程。经气液分离器出口的气体先进入压缩机,然后与经济器出口的气体混合后进入高压压缩机进行压缩。考虑到蒸发器出口可能含有为完全气化的液体,在气液分离器中提前将其分离。在多股流换热器模块中,蒸发器、冷凝器和经济器的作用是实现多股物流之间的换热;在阀门模块中,膨胀阀的作用是调节流体流经管道时的压降;在分流器和物流混合器模块中,分离器和混合器的作用分别是把入口物流分成多个规定的出口物流和把多股物流汇合成一股物流。3.3系统性能计算关键参数为了避免换热面积过大,室内蒸发器、室外冷凝器和经济器最小温差设置为 5。其中室内冷凝器和室外换热器的压降设置为-20 kP
15、a。其他相关参数如表 1 所示。朱菁,张鹏:基于补气增焓技术的 R410A 空调系统优化研究914结果与讨论4.1蒸发温度对系统性能影响表 2不同蒸发温度和排气压力下对应中间压力蒸发温度/压缩机排气压力/kPa对应中间压力/bar-20270010.4-15270011.41-10270012.46-5270013.550270014.75270015.9-20-15-10-50501020304050 Pout=2700kPa,开启补气 Pout=2700kPa,关闭补气 补气制冷量增幅(%)蒸发温度/制冷量/kW20212223 补气制冷量增幅(%)图 5蒸发温度对系统制冷量的影响在补气增
16、焓系统中,蒸发压力和冷凝压力会影响中间压力的大小。表 2 显示了在不同蒸发温度下,不同压缩机排气压力对应的中间压力值。此时的蒸发器过热度为 0,冷凝器过冷度为 0,经济器过热度 2。图 5 为制冷量随蒸发器蒸发温度变化的特性曲线。从图中可以看出,随着蒸发温度不断上升,系统的制冷量不断上升。当开启补气增焓时,在-20 5蒸发温度下系统制冷量相比关闭补气时提升了 20.3%。带补气增焓的系统与不带补气增焓的系统相比,制冷量更多。而在-20 5蒸发温度下,补气制冷量的增幅从 22.01%下降到 20.13%。原因是:通过中间补气增加吸入压缩机制冷剂的质量流量,且降低了蒸发器入口的制冷剂比焓10。-2
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